Valgusdioodid (LED-id) on tõhusad pooljuhid, mis toodavad valgust elektroluminestsentsina tuntud protsessi kaudu. Need on väiksemad, kauem kestvad ja töökindlamad kui hõõglambid või luminofoorlambid. Valgustuse, kuvarite ja spetsialiseeritud valdkondade rakendustes pakuvad LED-id suurt jõudlust ja energiasäästu. See artikkel annab teavet LED-ide töö, nende omaduste, eluea ja täiustatud tüüpide kohta.
LED-i ülevaade
Valgusdiood (LED) on pooljuhtseade, mis tekitab valgust, kui vool voolab sellest läbi edasi. Erinevalt hõõglampidest, mis hõõguvad hõõgniidi kuumutamisel, või luminofoorlampidest, mis sõltuvad gaasiergastusel, toimivad LED-id elektroluminestsentsi kaudu, footonite otsese emissiooni kaudu, kui elektronid rekombineeruvad pooljuhi sees olevate aukudega. See protsess muudab need palju tõhusamaks ja usaldusväärsemaks kui vanemad tehnoloogiad. LED-id paistavad silma oma kompaktse disaini, pika kasutusea, põrutus- ja vibratsioonikindluse ning minimaalse energiatarbimise poolest.
Valguse emissioon pooljuhtides
See pilt selgitab pooljuhtide valguse emissiooni protsessi, mis on LED-ide tööpõhimõte. Kui pooljuhti ergastatakse kas elektrivoolu või optilise süstiga, liiguvad elektronid valentsribast juhtivusribasse, luues elektronide ja aukude vahel eralduse. Seda energiaerinevust nimetatakse ribavaheks (Nt).
Kui see on erutatud, rekombineerub juhtivusribas olev elektron lõpuks valentsriba auguga. Selle rekombinatsiooniprotsessi käigus vabaneb kaotatud energia footoni kujul. Kiiratava footoni energia vastab täpselt materjali ribavahele, mis tähendab, et valguse lainepikkus (või värv) sõltub pooljuhi ribavahest.
LED-i elektrilised omadused
| LED värv | Edasipinge (Vf) | Edasivool (mA) | Märkused |
|---|---|---|---|
| Punane | 1,6 – 2,0 V | 5 – 20 mA | Madalaim Vf, väga tõhus |
| Roheline | 2,0 – 2,4 V | 5 – 20 mA | Veidi kõrgem Vf |
| Sinine | 2,8 – 3,3 V | 5 – 20 mA | Nõuab rohkem pinget |
| Valge | 2,8 – 3,5 V | 10 – 30 mA | Valmistatud sinise LED-i + fosforkattega |
LED valgusvõimsus ja efektiivsus
| Valgusallikas | Efektiivsus (luumenit vati kohta) | Märkused |
|---|---|---|
| Hõõglamp | \~10–15 lm/W | Suurem osa energiast kaob soojusena |
| Halogeenlamp | \~15–25 lm/W | Veidi parem kui hõõglamp |
| Luminofoortoru | \~50–100 lm/W | Vajab ballasti, sisaldab elavhõbedat |
| Kompaktluminofoorlamp (CFL) | \~60–90 lm/W | Väike vormitegur, järkjärguline kasutuselt kõrvaldamine |
| Kaasaegne LED | 120–200 lm/W | Saadaval tarbijavalgustuses |
| Tipptasemel LED-prototüübid | 250–300+ lm/W | Laboratoorselt testitud, näitab tulevikupotentsiaali |
LED-värvi ja renderdamise kvaliteet
Korrelatsioonis värvitemperatuur (CCT)
• Soe valge (2700K–3500K): tekitab kollaka sära, sobib kõige paremini elutuppa, restoranidesse ja hubastesse siseruumidesse.
• Neutraalne valge (4000K–4500K): tasakaalustatud ja mugav, kasutatakse sageli kontorites, klassiruumides ja kaubanduspindadel.
• Jahe valge (5000K–6500K): karge, sinakas päevavalguse sarnane valgus, sobib suurepäraselt välisvalgustusse, töökodadesse ja töömahukatesse keskkondadesse.
Värviedastusindeks (CRI)
• CRI ≥ 80: sobib kodu- ja ärivalgustuseks.
• CRI ≥ 90: nõutav täpset värviotsust nõudvates piirkondades, nagu kunstistuudiod, meditsiiniasutused ja tipptasemel jaemüük.
LED-i eluiga ja luumeni hooldus
L70 standard
LED-i eluiga mõõdetakse L70 standardi järgi. See väärtus tähistab töötundide arvu, kuni LED-i valgusvõimsus langeb 70%-ni algsest heledusest. Sel hetkel on LED endiselt töökorras, kuid ei paku enam ettenähtud valgustuskvaliteeti. L70 tagab järjepideva viisi LED-i jõudluse võrdlemiseks tootjate lõikes.
LED-i eluiga
• Tarbija LED-id: 25 000 – 50 000 kasutustundi.
• Tööstuslikud LED-id: 50 000 – 100 000+ tundi, mõeldud karmimate tingimuste ja kõrgemate töötsüklite jaoks.
LED-soojusjuhtimine
Ristmiku temperatuur (TJ)
Ristmiku temperatuur on sisetemperatuur kohas, kus LED-kiibi sees tekib valgus. Tootjad määravad ohutu töövahemiku alla 125 °C. Selle väärtuse ületamisel väheneb LED-i heledus, tõhusus ja eluiga. Tj madalal hoidmine tagab, et LED vastab oma nimijõudlusele.
Ristmiku ja ümbritseva termotee
LED-i sees tekkiv soojus peab liikuma ristmikust ümbritsevasse õhku. Seda rada nimetatakse ristmiku ja ümbritseva tee vahel. Disainerid mõõdavad selle tõhusust soojustakistuse (RθJA) abil, mida väljendatakse °C/W. Madalam soojustakistus tähendab, et soojust kantakse üle tõhusamalt, hoides LED-i jahedamana ja stabiilsemana.
Jahutusmeetodid
• Jahutusradiaatorid – alumiiniumist ribid neelavad ja hajutavad soojust LED-ist eemale.
• Termilised avad - PCB väikesed kaetud augud juhivad soojust LED-padjalt vasekihtidele.
• Metallsüdamikuga PCB-d (MCPCB-d) - Suure võimsusega LED-ides kasutatavatel plaatidel on metallist alus, mis kannab soojust tõhusalt üle.
• Aktiivne jahutus – ventilaatoreid või vedelikjahutussüsteeme kasutatakse nõudlikes keskkondades, nagu projektorid, staadionivalgustus või tööstuslikud seadmed.
LED-sõidumeetodid
Püsivoolu draiverid
Püsivoolujuht hoiab LED-voolu stabiilsena ka siis, kui toitepinge kõigub. See on kõige usaldusväärsem viis LED-ide toiteks, kuna see hoiab ära termilise põgenemise ja säilitab ühtlase valgusvõimsuse. Kvaliteetsed draiverid sisaldavad sageli kaitset lühiste, liigpingete ja ülekuumenemise eest.
PWM hämardamine
Impulsi laiuse modulatsioon (PWM) reguleerib heledust, lülitades LED-i väga suurel kiirusel sisse ja välja. Töötsükli reguleerimisega (sisse- ja väljalülitusaja suhe) muutub tajutav heledus sujuvalt. Kuna lülitussagedus on inimsilma tuvastusvahemikust kõrgem, näib valgus püsiv. Halvasti projekteeritud madala sagedusega PWM-iga süsteemid võivad põhjustada nähtavat virvendust, mis põhjustab silmade väsimust või kaamera artefakte.
Analoog hämardamine
Analooghämardamisel reguleeritakse heledust, muutes LED-i läbiva voolu amplituudi. See meetod väldib virvendusprobleeme, kuid võib LED-i värvi veidi nihutada, eriti väga madala heleduse korral. Analooghämardamist kombineeritakse täiustatud süsteemides sageli PWM-iga, et saavutada nii sujuv värvikontroll kui ka täpne heleduse reguleerimine.
LED-pakend ja optika
Pinnale paigaldatava seadme (SMD) LED-id
SMD LED-id on kaasaegses valgustuses enim kasutatav tüüp. Need on paigaldatud otse PCB-le ja on standardsuuruses, näiteks 2835 ja 5050. SMD LED-id pakuvad head tõhusust ja paindlikkust, muutes need parimaks LED-ribade, majapidamispirnide ja paneelvalgustite jaoks. Nende kompaktne suurus võimaldab hõlpsasti integreerida õhukestesse ja kergetesse seadmetesse.
Chip-on-Board (COB) LED-id
COB-pakendid paigaldavad mitu LED-stantsi otse ühele aluspinnale, luues tiheda valgusallika. See disain pakub suuremat heledust, sujuvamat valgusvõimsust ja väiksemat pimestamist võrreldes üksikute SMD-dega. COB LED-e leidub prožektorites, allvalgustites ja suure võimsusega lampides, kus on vaja tugevat suunavalgustust.
Kiibiskaala paketi (CSP) LED-id
CSP-tehnoloogia välistab mahukad pakendid, vähendades LED-i peaaegu sama suureks kui pooljuhtstants ise. See võimaldab väiksemaid, tõhusamaid ja termiliselt stabiilsemaid konstruktsioone. CSP LED-e kasutatakse laialdaselt autode esituledes, nutitelefonide taustvalgustuses ja ekraanipaneelides, kus on vaja kompaktsust ja vastupidavust.
Optika ja kiire juhtimine
LED-pakendi toorvalgus ei sobi alati otseseks kasutamiseks. Valguse kujundamiseks ja suunamiseks kasutavad disainerid valguse teravustamiseks või levitamiseks optilisi elemente, näiteks läätsesid. Helkurid valgusvihu nurkade ümbersuunamiseks ja juhtimiseks. Hajutid pehme ja ühtlase valgustuse tagamiseks.
Spetsiaalsed LED-tüübid
UV LED-id
Kiirgab ultraviolettvalgust steriliseerimiseks, liimi kõvenemiseks ja võltsingute tuvastamiseks. Ohutu ja kompaktne alternatiiv elavhõbeda UV-lampidele.
IR LED-id
Toodage nähtamatut infrapunavalgust kaugjuhtimispultide, öise nägemise ja biomeetriliste süsteemide jaoks. Tõhus ja laialdaselt kasutatav elektroonikas ja turvalisuses.
OLED-id
Õhukesi painduvaid orgaanilisi LED-e kasutatakse nutitelefonides, telerites ja kantavates seadmetes. Pakkuge erksaid värve ja kontrasti, kuid nende eluiga on lühem.
Mikro-LED-id
Järgmise põlvkonna ekraanid, mis pakuvad eredamat, tõhusamat ja kauem kestvat jõudlust kui OLED-id. Parim AR/VR-i, telerite ja nutikellade jaoks.
Laserdioodid
Pooljuhtseadmed, mis loovad sidusaid, suure intensiivsusega kiiri. Kasutatakse fiiberoptikas, skannerites, meditsiinitööriistades ja laserosutites.
Järeldus
LED-id on arenenud mitmekülgseteks komponentideks, mida kasutatakse valgustuses, ekraanides ja kõrgtehnoloogiates. Nende tõhusus, vastupidavus ja juhitavus eristavad neid vanematest valgusallikatest. Spetsiaalsed vormid, nagu UV, IR, OLED-id ja mikro-LED-id, laiendavad oma rolli veelgi. Jätkuvate täiustuste tõttu jäävad LED-id jätkusuutlike ja suure jõudlusega valgustussüsteemide tuleviku keskmesse.
Korduma kippuvad küsimused [KKK]
1. küsimus. Millistest materjalidest on LED-id valmistatud?
LED-id on valmistatud pooljuhtidest, nagu galliumarseniid (GaAs), galliumfosfiid (GaP) ja galliumnitriid (GaN).
2. kvartal. Miks vajavad LED-id takisteid?
Takistid piiravad voolu ja kaitsevad LED-e läbipõlemise eest.
3. kvartal. Kuidas valgeid LED-e valmistatakse?
Valged LED-id kasutavad valge valguse loomiseks sinist LED-kiipi kollase fosforkattega.
4. kvartal. Miks LED-id aja jooksul värvi muudavad?
LED-id muudavad värvi kuumuse ja materjali lagunemise, samuti fosfori lagunemise tõttu.
5. kvartal. Kas LED-id võivad töötada ekstreemsetes keskkondades?
Jah. Õige disaini korral võivad LED-id töötada väga külmades, kuumades, niisketes või tolmustes tingimustes.
6. küsimus. Kuidas LED-i eluiga testitakse?
LED-e testitakse eluea hindamiseks termilise, niiskuse ja elektripingega.